红薯生产燃料乙醇的技术研究

第29卷第4期湖南科技学院学报Vol 29 No 4008年4月Jourmal of Hunan University of Science and EngineeringAp:2008红薯生产燃料乙醇的技术研究朱薇傅学正12管天球!毛友辉欧阳小芸罗静瑶(1.湖南科技学院,湖南永州425100:2中南大学资源加工与生物工程学院,湖南长沙4100833湖南唐人神肉制品有限公司,湖南株洲412000摘要:本研究选用红薯为原料,采用生料发酵工艺生产燃料乙醇,研制出了一种适合红薯生料发酵用的复合酶,其最优组合为糖化酶20U邝g、淀粉酶20U/g、蛋白酶5U/g、果胶酶5U/g。同时对影响红薯生料发酵的主要因素进行了研究,确定了生料发酵生产燃料乙酶的最佳工艺条件,即料水比为25:1、初始pH为42、发酵温度为32°C、发酵时间为7天,关键词:生料发酵;燃料乙醇;复合酶;红著中图分类号:Q81文献标识码:A文章编号:1673-2219(2008)040047-03近年来,随着石油资源日趋严重不足,人类正面临着能500公斤,最高亩产15000公斤,淀粉含量287%,按测算每源供应短缺、燃料安全和环境污染压力的严峻挑战"。因此,公顷可产95度燃料乙醇8吨以上,玉米每公顷仅产35吨,甜高世界各国都在加速新能源的开发利用;我国“十一五”规划粱、甘蔗、木薯每公顷产5啦。由此可见,选择单位面积产和国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006~2020年)也将能量高、淀粉含量高的良种红薯作为乙醇的生产原料是发展燃料源的开发利用置于重点领域的首位在寻找各种新能源的过程乙醇的首选方案中,乙醇作为一种高效、清洁的可再生能源,再次成为各国科鉴于以上原因,本研究选用红暮为原料,采用生料发酵技工作者的普遍关注和研究热点。来制备乙醇,探讨了复合酶、料水比、pH、温度及发酵时间乙醇的生产方法可以归纳为发酵法和水合法两大类,目等各因素对发酵过程的影响,最终确定了其最佳的生产条件。前世界各国主要以发酵法为主,这是一种古老的生物技术有着悠久的历史。然而传统的发酵工艺存在两高两低一差”1材料与方法的缺点,即能量消耗高,生产成本高,淀粉糖化率低,出酒率1.1材料低,经济效益差,尤其在20世纪50年代,随着石油的大规模开11.1菌种和酶制剂采利用,高成本的乙醇逐渐被人们淡忘。直至1973年第一次出活性干酵母:潮南科技学院可再生能源研究所保藏。现石油危机,巴西、美国率先倡导“汽油醇”,即在汽油中加入糖化酶:酶活力5000g2,无锡酶制剂厂生产。定比例无水乙醇而形成的一种高效清洁燃料。随后,世界各淀粉酶(酶活力2000U·mL),无锡酶制剂厂生产国为了避免今后再受到能源的影响,也都纷纷加入了汽油醇的纤维素酶(酶活力100U·g"),无锡酶制剂厂生产。研发,并提出了许多新的方法和工艺价。其中生料发酵(即蛋白酶(酶活力500000g),湖南津市新型发酵有限责无蒸煮发酵)以其工艺流程简单、易操作,尤其是其摒弃了传任公司生产统工艺中的高温蒸煮工序(这一工序占整个生产过程所耗能量果胶酶(酶活力20000g4),湖南津市新型发酵有限任的30%~40%),从而大幅度节省能量及设备,使单位生产成本公司生产。大大降低,被誉为乙醇工业的一大突破及重要发展方向。然l2原料而,生料发酵作为一新工艺,同样也存在许多的问题。由于生以湖南永州市培育的良种红薯超然“966”制成的蒋千为原料发酵没有经过熟料发酵蒸煮过程中的液化处理和杀菌处理,料经粉碎过60目筛其淀粉含量为6952%,水分含量为967%,因此对原料及其生产技术的要求相对较高。现在国内外常用的粗蛋臼0.31%,粗脂肪047%,粗纤维14.25%。原料有玉米、小麦、甜高粱、甘蔗、木薯等112,使用红薯12方法的并不多见。其实红薯是单位面积产能量最高的生物质原料,12l工艺条件的选择及其工艺流程以湖南永州市为例,其培育的良种红薯超然“966”般亩产生料发酵的本质是一个生化反应的过程,当原辅料确定后,工艺条件就成为影响生料酸酒的主要因素。本研究主要收稿日期:2007-10-12对发酵用的复合酶种类及其数量、料水比、PH、糖化发酵温基金项目:科技部科技型中小企业创新基金资助项目度、糖化发酵时间等工艺条件进行了探讨,其工艺流程如下内容[07c26214301758]。红薯干→粉碎→加水调配→调节pH值→加复合酶→通气作者简介:朱薇(1976-),女,湖南科技学院生命科培养→发酵→成熟醪液→蒸馏出酒学与化学工程系教师,硕士,主要从事食品化学与营养及生1.22发酵液制备及发酵方法物质能源研究称取一定量的干红薯粉加水配成一定浓度,用HSO4调节47成不同的pH,加入不同比例的复合酶及酵母搅拌均匀,然后酶的最适温度为30℃,本实验考虑到温度对复合酶的综合影置于不同温度下发酵,最后测定各项指标响,故选用了以下各温度作为发酵温度,具体见表3123实验结果的分析测定及其数据统计处理方法表3不同温度对发酵的影响(习坦,n=5)123.1实验结果的分析测定方法Table 3 Effect of different temperature to the fermentation残还原糖和残总糖的测定采用DNS法测定。(x±,n=5)酸度用0.1 mol/L NaOH滴定测定升幅总糖pH值用pHs-2精密酸度计测定温度(℃出酒率(%)(g10om)(gmn酒度按国标GBT10781测定。15-2521459:0913.79淀粉出酒率=95%(v)酒精产量(kg)/淀粉量(kg)23721±0.780.73100%。2958.3±0.811.2.3.2数据统计处理方法由表3中数据显示,在温度为1525°之间,淀粉利用率高其实验数据统计分析采用SP30软件进行单因素多水平残余糖量也较小,但是出酒率很低,达不到预先效果;当温度和多因素多水平分析,数据以均数±标准差(X)表示,取为3538℃c时,不仅产酒事低,同时淀粉利用率也低,残余糖<0.05为差异具有显著性,P>005为无显著性差异量高;当温度为32°C时,出酒率最高,且效果显著(p<0.05)24发酵时间对发酵的影响2结果与分析发酵时间的长短对酒精度、酸度、还原糖皆有影响。本实21不同料水比对发酵的影响验在不同时间取样对其进行测定,结果如表4。发酵醪液浓度的大小直接影响到基质中酶及酵母的代谢表4发酵时间对发酵的影响(又±s,m=5)活动。同时,合理的浓度对提高出酒率、设备利用率及降低篚Tb4 Effect of time to the fermentatio(却,n=5)耗也是非常重要的。本实验以红薯的淀粉利用率为指标对实验发酵时间升幅出酒率丕原糖结果进行比较,其结果如表所示天)酸度(%)(g0omL)(g/0mn)708043表1不同料水比对发酵的影响(习±s,nTablel Effect of water to the fermentation (X+s, n=5)3461.22.12试验号料水比升酸出酒率淀粉利用率15幅度实验结果显示,随着发酵时间的不断增加,乙醇不断地增:22368.2±21686.l加,发酵时间到第7天,出酒率达到最高为708%;随后,出酒1:2528719±25286率又慢慢地下降。其中原可能是酵母菌在生产过程中产生多种3.2542±3.15832有机酸,特别是乙酸的生成会消耗部分乙醇,同时有机酸与乙从表可以看出,料水比在1:2和1:25时淀粉利用率相差不醇发生酯化反应也消耗部分乙醇所以乙醇的量随着发酵时间大,但从出酒率的角度出发显然料水比为1:25时,出酒率更的增加呈先上升后下降的趋势。此外,由表还可知,在发酵时高(p<00)。另外,在发酵过程中还可以看到,加水量越大,间到第7天时,其残余糖量也是最小的(p005)发酵液沉淀越严重,从而影响发酵效果;同时考虑到较高浓度25复合酶的确定的醪液发酵可以节省能源和提高设备的利用率,而且对抑制杂由于酵母自身没有糖化酶系传统的工艺一般经过蒸煮使菌也有利故选用料水比125,在以后实验中均采用此水料比。淀粉液化、糖化后再进行发酵。而采用生料进行发酵,由于原22初始pH对发酵的影响料中淀粉颗粒周围附着大量的粗纤维、粗蛋白、果胶等物质,发酵醪液的pH对酵母的生命活动有显著影响,因为营养阻碍糖化酶与淀粉作用,使得乙醇的生产效率很低。为了解决物质进入细胞的速度与醪液的pH值有关,同时pH对酶活也有此问题,许多学者通过添加复合酶来促进糖化酶的作用叫,本影响,酵母的最适pH为4~5.本实验调节了不同发酵液的初文前期的实验也表明,添加淀粉酶、蛋白酶、果胶、纤维素pH进行发酵,实验重复次数n=5,结果见表2酶对红薯生料发酵都有一定的促进作用。为了获得最佳的酶组表不同pH值对发酵的影响(又s,n=5)合,促进糖化作用,本实验采用L(4)表对各种酶进行了正交实Table2 Effect of different pH to the fermentation( X*s, n=5).验。实验在料水比为25:1、初始pH为42、温度为32c的工艺升幅出酒率还原糖条件下进行,以淀粉出酒率为指标,具体的因素水平如表5所示酸度(%)(g/10omL)(g/l0omL)表5复合酶生料发酵因素水平表58(自然)33321±235361Table5 Factors and parameters of the composite enzyme28723±267ooked fermentation25583±3.055.3lADE从表2可以看出,随着初始pH的降低,升酸幅度有所降低因素糖化酶淀粉酶蛋白酶果胶酶纤维素酶但残糖量也随之升高。而在pH值为42时,出酒率最高(P(U·g)(·g)(u·g)(·g)(U·g)005),故选用在pH值为4为最佳发酵pH值。水平1502.3不同温度对发酵的影响水平2100发酵时的温度显著影响微生物和酶的活性,一般酸酒酵母水平3150的最适作用温度在2834C,糖化酶的最适温度为60℃,淀粉水平42003015根据复合酶各因素水平的设计进行正交实验其结果见表6。备,使单位生产成本大大降低;其次,本文通过实验选择出了表6复合酶正交实验结果种适合红薯生料发酵用的复合酶,其组合为:糖化酶Tableb Result of the orthogonal experiment200U/g、淀粉酶20U/g、蛋白酶5U1g、果胶酶5Ug。另外,本实验因素文还对影响红薯生料发酵的主要因素进行了探讨,确定了最佳试验号AD淀粉出酒率生产工艺条件,即料水比为25:l、初始pH为42、发酵温度B2c2D2E2050为32C、发酵时间为7天2345678A1 B3 C3 D3 E3 0.524E40.55参考文献:A2B1c2D3E40.56A2 B2 C1 D4 E3 0.5[]刘铁男燃料乙醇与中国M]北京:经济科学出版社,2004A2 B3 C4 DI E2 0.57[2Jacques K, Lyons T P, Kelsall D.R. The Alcohol TextbookA2 B4 C3 D2 EI 0.55A3B1C3D4E20.56(rd Edition)[M]. Nottingham: Nottingham University Press,A3 B2 C4 D3 EI 0.60A3 B3 C1 D2 E412345[3]California Energy Commission staffs, U. S. energy industryA3 B4 C2 D1 E3 0.63A4 B1 C4 D2 E3 0.58production capacity outlook (August2001)[R]. PublicationA4 B2 C3 DI E4 0.64number p600-01-017:10A4B3c2D4E1069[4]Canadian Renewable Fuels Association. Ethanol production in4 B4 C1 D3 EK1/40500.530.550.570.58CanadaEb/oL].http:www.greenfuelsorgethaprod.htmlK240.570570.600.570.575]黄治玲然料乙醇产业全球发展状况门化L管理2003(2)3435Ky40.600600.580.580.57Y=9.196]钮公藩赴巴西、古巴、墨西哥和泰国糖业考察报告门广西K4/4064610.580.590.59极差R01400800500002蔗糖20011):50最优组合A4B3C2D4E4[tHomas K.C., ef al. Journal of Industrial Microb[]. 1992,因素主次A>B>C>D=E0(1):61462由可知,各种酶的K值并非是单调增加的,说明各酶秦先魁田建军低脂玉米粉生料发酵制酒精技术主要参数的之间相互会产生影响。在影响红薯生料发酵的复合酶中,糖化试验研究J粮食与饲料工业200110):46-47酶的极差R最大,是主要影响因素,其余的影响因素依次排序9李祥,吕嘉枥生料酿酒工艺技术研究门酿酒科技,2040为:淀粉醵〉蛋白酶>果胶酶和纤维素酶。这可能原因是用红42-44.薯生料进行发酵,未经过传统工艺中的蒸煮等工序,从而糖化[1O黄平生料酿酒技术M北京:轻工业出版社,200所需的酶显得非常重要,另外,从正交实验结果中还可以看出,]刘忠义卢其斌张妙玲等“双曲生料发酵制大米、高梁低效果最好的试验号是15号,在该实验组中纤维素酶没有添加,度白酒门食品工业,2004,25(4)2426.说明纤维素酶在此实验中影响并不明显,而果胶酶的相对需要12)谭显平甘蔗生产燃料乙醇—解决我国能源紧缺矛盾的量较高,这与红薯中果胶含量相对较高有关。综上所述,实验最佳途径门甘蔗糖业2004(3):1922选用15号作为红薯生料发酵的最佳复合酶组合,即糖化酶20013]傅学政,朱薇,管天球我国红薯生产燃料乙醇的综合效益U/g、淀粉酶20U/g、蛋白酶5U/g、果胶酶SUg分析门潮南科技学院学报,2006,(1):183186[14汪江波薛海燕邹玉玲酶制剂的添加对早籼稻谷生料发酵3结论生产酒精的影响门中国酿造,20054:15-17本文采用红薯生料进行发酵,使糖化、发酵同时进行,責任编校:黄光文)摒弃了传统工艺中的高温蒸煮工序,从而大幅度节省能量及设Production of Alcohol Fermentation by Sweet PotatoZHU Wei FU Xue-zheng GUAN Tian-qlu' MAO You-hup YANG Xlao-yun' LUo Jing-yao'(l Hunan University of Science and Engineering, Yongzhou Hunan 425 1000, China;2. School of Resources Processing and Bioengineering of Central South University, Changsha Hunan 410083, China;3. Hunan Tang Ren Shen Meat Products Ltd, Zhuzhou Hunan412000, China)Abstract: Sweet potato as raw material to Product fuel ethanol, a composite enzyme suitable for fermentation of raw sweet potato isveloped. Its optimal combination is glucoamylase 200U/g, amylase 20U/g, protease 5U/g, pectinase 5U/g. At the same time, the mainfactors of the impact of raw sweet potato fermentation are studied, and identified the optimum conditions to product fuel ethanol infermentation, namely material water ratio 2.5: 1, PH 4. 2, the fermentation temperature 32oC and fermentation time for 7 days.Keywords: fermentation by raw material; fuel ethanol; composite enzyme